현대우주론 : 가정과한계 황재찬 2012.09.26 내가그박식한천문학자의말을들었을때, 증명과숫자들이내앞에줄지어싸여있었을때, 더하고, 나누고, 측정할도표와도형들이내앞에보여졌을때, 내가앉아서그천문학자가강의실에서큰박수를받으며강의하는것을들었을때, 나는까닭모르게곧피곤하고실증이나서, 자리에서일어나밖으로빠져나온뒤나홀로거닐면서, 촉촉하고신비로운밤공기속에서, 이따금, 하늘의의별들을말없이올려다보았다. Walt Whitman (1865) When I Heard the Learn'd Astronomer Universe ( ) 우주 공간 시간 우주는실재하지만볼수는없다. 상상할수있을뿐이다. Alexander Calder (1898-1976) 우주 ~150B.C. 우주론 우주론 큰규모에서의우주, 그역사와미래에대한탐구. J. Bernstein, et al Cosmological Constants (1986) p1 철학의기능 철학의기능중하나는우주론을비평하는것이다. Alfred North Whiteheadh Science and the Modern World (1925) p. vii.
그자신의한계를아는것이바로철학을구성한다. Immanuel Kant Critique of Pure Reason (1781) 철학은이제껏세상을해석하는것으로스스로를제한해왔다: 하지만중요한것은세상을변화시키는것이다. Karl Marx, The Eleventh Thesis Theses on Feuerbach (1845) 우주론 ( 천문학 ) 의상황 천구상에투영된한면만보임 가서볼수없음 상이왜곡됨 제어가가능하지않음 재생불가능 단한번일어난상황 이러한상황에서, 우리는검증이완전히불가능하지만우주론에필요한특수한가정을하지않고는우주에대한모델을만들수없다. G. F. R. Ellis (1975) 가정과한계 행운에맡겨진가정 (Good luck assumption) 우리가아는물리원리가다른곳에서도적용됨 검증불가능 과학원칙 (Scientific policy) Ockham s razor, 기왕이면단순한설명을채택함 검증불가능 불확실성 (Uncertainty) 혹은오차 통계적 (random, in measurements) 가정에따른 (systematic, in assumptions) 오차 어떠한설명도유일하지않을가능성 과학의현실 문제는우리가관측할수있는우주가단하나뿐이라는것으로, 더구나우리는사실상단하나의점에불과한시간과공간이라는위치에서관측할수있을뿐이다. G. F. R. Ellis (1975) 현실의과학은미리생각해놓은이론에맞추어관찰을선택하고무시하며실험을조작하는기예와더관련이있다. 자세한관찰은과학적사유를방해한다. 현상은무시하고소위정수를파악하라. 따라서과학에서는관찰이아니라이론이먼저다. 그비법은대상을고립화, 단순화, 이상화, 추상화 ( 그리고가급적이면수학화 ) 된모델로만들고이를바탕으로분석과통계적기법을통해모델을검증, 구현하는것이다. 이과정을통해대상의개성은무시된다. JH, KIAS Newsletter (2011) arxiv/1206.6297
자연의법칙 사람들은 ' 자연의법칙 ' 을이야기하지만이건잘못된말이다. 자연에법칙이란없다. 단지자연의일시적인습관들이있을뿐이다. Alfred North Whiteheadh Dialogues of Alfred North Whitehead (1954) 물리개념들은인간정신의자유로운창조물로, 그것이어떻게보이든, 외부세계에의해유일하게결정되지않는다. Albert Einstein (1936) 우주모델 과학은설명하려하지않으며, 해석하려고도하지않는다. 과학은주로모델을만든다. 모델이라는것은수학적인구성물을의미하며특정한언어적해석을추가하여관찰된현상을기술한다. 그러한수학적으로구성된모델의유일한정당화는그것이예상한대로작동하는가에있다. John von Neumann, quoted in Chaos by James Gleick (1988) 273p 과학의목적은복잡한사실로부터가장단순한설명을찾는것이다. 우리는추구의목적이단순함이기에사실자체가단순하다고생각하는오류에쉽게빠질수있다. Alfred North Whitehead Concepts of Nature, p. 163. [ 모델이란 ] 실재에대한과학적인근사이다. 연구자가방법론적이아닌존재론적인유물론자가된다면, 다른맥락에서는유용했을모델을우주적인실재로간주하게된다면, 그는결국에는단지과학적인퇴락으로이어질수밖에없는길로접어든것이다. Konrad Rudnicki The Cosmologist s Second (1982) 11, 92p
네가지가정 중력뉴턴, 아인슈타인, 혹은다른중력 공간기하 ( 부분곡률 ) 균일-등방, 혹은복잡한기하 물질구성 바리온, 복사, 암흑물질, 암흑에너지, 장 (fields),... 토폴로지 ( 전체모습 ) 중력으로는결정되지않음 우주원리 우주의큰규모에서물질의 3 차원공간분포가균일하고등방하다는가정 (Einstein 1917). 오직큰규모의구조만고려한다면, 우리는물질들이거대한공간에걸쳐서고르게분포하고있다고표현할수있을것이다. A. Einstein (1917) 아인슈타인의첫우주론논문은순수하게이론적인연습으로서단하나의천문학적인상수도포함하고있지않다. Paul Feyerabend Against Method 3 rd ed. (1993) 239p 우주론에서원리란증거에의해지지되지않는가정과같은뜻으로종종쓰이는데, 그것없이는분야가진행될수없다. Martin Rees (2000) 우주를단순하고우아한모델로기술할수있는우리의능력은주로자료의부족, 즉우리의무지에기인한다. J. Horgan The end of science: Facing the limits of knowledge in the twilight of the scientific age (1996) 우주원리관측상황 우주배경복사는아주등방 이중극 (Dipole) 온도차이는 10-3 수준 다중극 (Quadrupole) 이상온도차이는 10-5 수준 은하분포는? 대규모은하적색이동 ( 거리대신 ) 조사 불확실 실제검증은어려우며, 호라이즌너머에서는원리상검증불가능호라이즌 = 우주의나이동안빛이간거리 큰규모에서우주 ( 은하들의분포 ) 가균일-등방한지는아직도관측으로검증해야함 고대힌두우주원리 우주는무한히불균일하다. 우리위치는시간이나공간상특이한곳이이아니지만, 평균적이지도전형적이지도않다. ( 무한히퍼진변수들에서어떤평균이나중간값을얻는것은무의미하다.) Rudnicki (1982) 우주는팽창과완전한붕괴사이를순환하며, 주어진한순간에도무한히많은우주가있다. 이것말고도셀수없이많은우주가있다 이것말고도셀수없이많은우주가있다. Bhagavata Purana 6.16.37
1. 우주의존재 관측사실 명백함. 우주가어떻게되어있는가보다는, 그것이존재한다는것이신비로운사실이다. Ludwig Wittgenstein (1922) 아직은철학의영역임 철학은호기심에서시작한다. 그리고, 최선의철학적인사고를마친뒤에도, 그호기심은남는다. A. N. Whitehead (1861-1947) 1947) 과학은우리가아는것, 철학은우리가모르는것이다. Bertrand Russell (1872-1970) 2. 어두운밤하늘 어두운밤하늘은별들이균일하게무한히펼쳐진영원히정적인우주에서는불가능함 Johannes Kepler (1610) Olbers paradox Edgar Allen Poe (1848) Eureka 현대우주론에서는관측가능한영역이유한한시간동안존재해왔으며, 유한한빛의속도로해결됨 3. 거리- 적색이동관계 1929년허블 적색이동 (redshift z) 이거리 (d) 에비례 : z c ~ H d 도플러-피죠효과를이용해은하가멀어져가기때문으로해석 : v ~ z c for v c. 증명은어려움! 다른가능성 : Expanding space, Receding motion, Alternative gravity, Decreasing c or h, Increasing mass or e, Shrinking atom, Tired light, 관측은항상이론을동반한다. Edwin Hubble 1998년 Type Ia supernova 관측현재팽창이가속중임암흑에너지 (Dark Energy) Type Ia SN Hubble diagram Recent UNION2 data 밝기 밝기 거리 Accelerating 76% DE repulsive! li 거리 Accelerating 73% DE repulsive! Reiss, A. G. et al, ApJ 116, 1009 (1998) Figure 4. 557 SNe data in Amanullah, R., et al, ApJ 716, 712 (2010). Figure by Prof. Chan-Gyung Park
암흑에너지해석 그것의성질은 ( 상수이든변수이든 ) 이론물리학의중대한문제이다. 암흑에너지의존재에대한유추는우주가큰규모에서균일하고등방하다는가정에기반하고하고있다. G. F. R. Ellis (2009) 4. 우주의나이 최근가장오래된별떼 (globular clusters) s) 의이론적으로추정한나이가 15% 정도줄어듬 우주모형의나이는최근일어난가속을고려하면증가됨 최근추정 : t = 13.7 ± 0.2 Gyr (WMAP) 추정된우주모형의나이가가장오래된천체의나이와비슷한것은표준우주모형에신빙성을더해줌 5. 우주거대구조 암흑물질 은하들은 3억광년 (100Mpc) 보다큰규모에서는대략균일하게분포. 불확실 작은규모의구조는균일한분포에서조금벗어남. 불확실 더작은규모에는비선형구조. 명백 빛을내는물질로관측된은하나은하떼, 우주거대구조의분포와시선속도로추정한중력을내는물질분포사이불일치 은하나은하떼, 거대구조에서뉴턴중력이안맞거나암흑물질 (dark matter) 의존재요구 ( ) LSS: non-linear structure SDSS in comoving scale r =19Gpc r event horizon z rec ~1089 SDSS 거리 z ~ 0.06 d ~ 200h -1 Mpc z ~1.7, r~4.7 z ~ r = r particle horizon z ~2., r~5.2 proper z ~1., r~3.33 distance z ~.5, r~1.9 de Lapparent etal. (1986) z = v/c ~ 0.03 d = v/h ~ 100h -1 Mpc http://www.sdss.org/ Gott, J. R., et al., astro-ph/0310571 (2003)
SDSS in look-back time scale SDSS DR7 LRG 통계분석 Baryonic Acoustic Oscillation (BAO) Gott, J. R., et al., astro-ph/0310571 (2003) Reid et al, arxiv:0907.1659v2 6. 우주배경복사 온도가 2.725K 인거의완벽한흑체. 1cm 3 에 400 개정도의광자. TV 잡음의 1%. 천분의 1 도정도에서이중온도비등방성 : 아마도우리움직임때문 십만분의 1 도정도에서다중온도비등방성. 당시존재한구조의영향으로발생 현재보이는우주구조들이자라나는과정에서남긴흔적 구조형성이론에제한을줌. 현대우주론에따르면, 우주배경복사는 우주의규모가지금보다천배작고, 온도는지금보다천배높은 3000K, 우주의나이가 38 만년일때를보여주는것으로해석. 우주배경복사가이와같이우주론적이라는직접증거는없다. 빛의강도 CMB Spectrum 파장 100 x error bar COBE (1989) Complete Photon Spectrum CMB Complete Sky 우주배경복사 빛의강도 파장 isotropic 2.725 K
δt/t ~10-3 levell δt/t ~10-5 levell Dipole: perhaps due to our motion relative to CMB rest frame WMAP Satellite WMAP WMAP 온도비등방도통계분석 온도분산 cosmic variance 각크기 7. 가벼운원소함량 초기우주가벼운원소핵합성 : 수초 ~ 수분까지 H, D, 3 He, 4 He, 7 Li 생성 그이상 Fe 까지는별내부에서생성 ( 핵융합 ) Fe 이상 U 까지는별이폭발 (supernova) 하며생성 이론으로추정한 baryon 물질의밀도 : 초기우주핵합성으로만들어진 H, D, 3 He, 4 He, 7 Li 값이관측값과일치하기위해서는바리온양이총밀도의 4% 정도 Alpher와 Herman (1948) 은이과정에서우주배경복사예측 원소의기원에대한현대의신화! 8. 우주를구성하는물질 빛을내는최소한의바리온 ( 원자 ) 를구성하는물질 : ~ 0.5% 이내 바리온의총량 ( 초기우주핵합성으로추정 ): ~ 4% 은하의회전과은하떼의운동에서추정한, 중력은있지만빛을내지않고있는물질, 암흑물질 (dark matter): ~ 20-30% 최근우주를가속시키고있는, 미는중력을내는가상의에너지, 암흑에너지 (dark energy): ~ 70% 총량은우주의공간곡률이 0 인정도
Only part of it (0.5%) is luminous 1. Flat rotation curve 2. Cluster virial theorem 3. Needed for fluctuation growth 4. Gravitational lens 5. Bullet cluster 6. Numerical simulation Matter Contents Type Ia Supernovae 9. 물질과반물질비 우주는물질이반물질을압도하고있다. 각입자에는반입자 ( 전하의부호가반대 ) 존재 입자와반입자가만나면 100% 빛으로소멸됨 현재우주는입자가반입자에비해압도적 물질의개수를빛의개수와비교하면, η n -10 Baryon /n Photon ~ 10 이비율은시간에따라일정함 필연적인결과인가? 우리우주의우연한특성인가? Freeman and Turner, astro-ph/0308418 (2003) 10. 관측자의존재 우리우주에는관측자가존재한다는사실을잊으면안됨 예를들면, 자연상수가특별한값을가진이유를설명하고자할때, 만약그값이지금과다르면그결과로우리가존재할수없다면, 일단, 우리가존재한다는사실이우리의존재를위해허용된값을가진우주를관측할수밖에없다는전제조건이됨인류원리 (Anthropic principle) 자연상수 G ( 중력 ), c ( 상대론 ), h ( 양자론 ) 값이조금다르면우리가존재할수없음 우리우주의상황과전혀다른조건을갖춘우주가있다고해도 우리 는그곳에존재할수없다. 이런식의설명이틀리지않더라도, 예측력이있는가? 다른가능성 : 2. Design (from Designer) 3. Good Luck (from ToE) 몇주제들 1. 정밀우주론 관측으로표준우주모형의이론적변수들을수퍼센트정밀도로제한한다는주장 (Precision cosmology) 표준우주모형은다음의 ( 검증되지않은 ) 가정에기반 : 1. 암흑물질 Dark matter ( 구원 1) 2. 암흑에너지 Dark energy ( 구원2) 3. 초기우주가속팽창 Inflation ( 구원 3) 4. 아인슈타인중력 5. 우주원리 Cosmological principle p 6. 물리법칙의보편성 Universality of local laws of physics 7. 기계론적유물론 Materialism (no non-material cause) 하지만, 관측은단지 0.5% 만이빛으로보이고, 99.5% 는보이지않음! 무지에대한정밀도? Precision of Unknowns? (categorical mistake) 2. 검증불가능한우주론 검증불가능한 ( 형이상학적, 아이러닉, 추측성 ) 우주론 : 시작이전 : creation out of nothing, no boundary proposal, cyclic, pre-big-bang, b ekpyrotic, 호라이즌바깥 : cosmological principle, multiverse, chaotic inflation, eternal inflation, many worlds, megaverse, string landscape, 다른차원 : string theory, M-theory, braneworld, Kaluza-Klein, parallel universes, 먼미래 : big crunch, big chill, big rip, cyclic, 관측으로검증할결과가없음
다중우주 Multiverse 주장 관측불가능한우주의영역 검증되지않은물리이론에근거한주장어떤검증이가능한가? 관측가능한결과가전혀없음! 이론이관측보다우선함 개연성있는철학적제안이지만과학으로검증할수없는주장일뿐 과학으로서는무책임함! 과학과우주론에서무엇이더중요한가? 이론 ( 설명 ) 인가, 관측 ( 실재에대한검증 ) 인가? 장황하고정확한수학적계산이수행되었기때문에그결과를자연현상에적용하는것이절대적으로신뢰할만하다고가정하는것보다더흔한오류는없다. A. N. Whitehead 근거가약한가정들에정교하고격조높은수학적인과정을세우는것보다더위험하고음흉한속임수는아마없을것이다. Thomas Chamberlain, American geologist (1899) Cited in Our Cosmic Habitat by Martin Rees (2001) 4p G.F.R. Ellis Unity of the Universe meeting Portsmouth (2009) 웜홀? 아기우주? 끈이론의무한차원초공간? 은, 실험으로검증하거나원리적으로조차해결할수없는과학, 즉아이러니한과학이다. 이들의근본기능은우주의신비로움앞에서우리의놀라움을유지시켜주는것이다. 물론, 이러한아이러니한우주론은호킹, 린데, 휠러와같이상상력과야심이넘치는시인들이있는한앞으로도계속될것이다. 그들이제공하는전망은한편으로는, 우리가가진경험적인지식의보잘것없음앞에겸허한생각을들게하고, 다른한편으로는, 인간의끝없는상상력앞에흥분을자아내게한다. 그러나그것은과학이 아니다. J. Horgan The end of science: Facing the limits of knowledge in the twilight of the scientific age (1996) 진정한과학 우리는진정한과학은개연성있는가설을관측으로검증하는것에기반한다는것을확고하게주장하여야한다. 이론은실험이나관측적인검증에복속되어야한다. 이것은과학에서중심이되는사항이다. G. F. R. Ellis (2008) Dark matter and dark energy proposals: maintaining cosmology as a true science? 3. 빅뱅이전 아무것도신의힘으로무에서창조되지않는다. Lucretius (~100-55 B.C.) 먼저신은하늘과땅을만들었다, Genesis 1, The Bible 신은세상을만들기전에무엇을하고있었을까? 일부에서는그가하늘과땅을만들기전에, 그런신성한질문을함부로해대는자들을위해지옥을만들고있었다고도하지만, 창조이전에는시간이존재하지않았으므로질문자체가적절하지않다. 세상은시간과함께만들어졌다. Saint Augustine (354-430) Confessions 우주는, 어떤시간에만들어진것이아니라, 시간과함께만들어졌다. J. D. Barrow (1999) 빅뱅자체나그이전에대한견해는우리의실험지식이그에못미치기때문에, 과학에기반을둔논의조차견강부회 ( 牽强附會, 이치에맞지않는말을억지로자신에게유리하게이리저리둘러대는것 ) 에불과함 동의되는 ( 양자중력 ) 이론조차없음! 관측으로확인되지않은생각을굳게믿는것, 이러한확인이없다면우리는과학을형이상학과구별할유일한방법을잃는다. M. R. Ribeiro, etal (1998) 우주론자들은실수는자주하면서도의심할줄모른다. L. D. Landau (1908-1968)
4. 우주의끝 팽창하는물리우주모형에서는유한한호라이즌이존재함. 호라이즌은유한한우리우주의나이동안빛이간거리 ~137 억광년 유한한우주의나이 + 유한한빛의속도 우리에게영향을줄수있는영역은유한. 이러한우주모형에서그너머에무엇이있는지는우리에게영향을준바가없음. 그너머는 : 우리인식영역바깥. 그존재에대한어떠한표현도가정이나상상에불과함. 소크라테스는당시대부분사람들과는달리, 전문가들이소위코스모스라고말하는것과하늘의모든일들이왜그러한지따위의, 모든것들의본성에대해논의하는데시간을보내지않았다. 그와는반대로, 그는그러한문제에집착하는사람들의어리석음을지적하였다. Xenophon, cited in Cosmology in Antiquity by M. R. Wright (1995) 5. 어쨌든그너머는? 호라이즌너머에대한검증불가능한제안 : Cosmological principle, Chaotic inflation, Landscape, Multiverse, Island universe, Topological complications, 호라이즌이없는검증가능한제안 : Small universe, Closed model, 호라이즌바깥은, 현재우리의인식영역너머로, 어떠한주장도원리상검증이불가능 우리의 [ 우주 ] 모형이 [ 호라이즌 ] 보다더큰규모에서우주의상황에대하여예측하는경우, 그것이아무리그럴듯해도전적으로검증이불가능하다. G. F. R. Ellis (1993) 6. 14 무기 ( 無記 ) 붓다가침묵을지킨우주론에관련된두가지질문은 우주가시간적으로유한한지무한한지 와 우주가공간적으로유한한지무한한지 에대한의문들이다. ( 이는 14무기중 8개에해당한다. 여덟개라고한이유는, 예를들면, 공간에대해 유한하다, 무한하다, 유한하기도하며무한하기도하다, 그리고 유한하지도않고무한하지도않다 는네가지가능성을염두에둔것이다.) 붓다는이질문들을해탈과열반을성취하는것과무관한답변이불가능한형이상학인추측으로간주하여일체의말을삼간채수행자들이시간과에너지를소비하지말것을권하였다. JH, KIAS Newsletter (2011) arxiv/1206.6297 7. 우주의미래 미래에대하여우리가무엇을말할수있는가? 예측은아주어렵다, 특히미래는. Neils Bohr (1885-1962) 과학의다른분야에서와같이,[ 우주론에서도 ] 명확한예측은 ( 비록길기는하겠지만 ) 유한한미래에대하여서만가능하다. 우리우주의미래는그저매우복잡한정도가아니라무한하게복잡할것이다. A. A. Starobinsky (2000) 불과얼음 어떤이는세상이불로끝날것이라하고, 어떤이는얼음이라한다. 내가맛본욕망으로부터라면 불을선호하는이들편. 하지만만일두번소멸할수있다면, 나는증오에대해충분히알기에얼음으로파괴되는것또한거룩하고만족할만하리라고. Robert Frost Fire and Ice
8. 궁극적인질문 물질의궁극적인기원에대해 : 왜세계가존재하는가? 왜무 ( 無 ) 가아니라무엇인가존재하는가? Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) 나는세상이존재한다는것이경이롭다 : 무언가존재해야만한다는것이얼마나놀라운가, 혹은, 세상이존재해야만한다는것이얼마나놀라운가. Ludwig Wittgenstein (1889-1951) 왜도대체존재가있어야하는가 왜차라리무 ( 無 ) 가아니고? Martin Heidegger (1889-1976) 철학적인질문임 9. 조금접근가능한질문 우리는어디에서왔는가? 우리는누구인가? 우리는어디로가는가? Paul Gauguin (1897) 한편, 답변이불가능한가장거대한질문에대해매달리는것보다는, 답을찾을수있는작은질문을추구하는것이좋다. Galileo Galilei (1564-1642) 이태도가근대과학의성격을규정 하지만우주론은필연적으로가장거대한질문과관련 10. 우주의의미? 목적? 우주가더잘이해되는듯싶을수록, 더의미가없는것처럼느껴진다. S. Weinberg The First Three Minutes (1977) 우리는어디에서왔는가? 우리는누구인가? 우리는어디로가는가? Paul Gauguin (1897) 과학은그근본에서의미와목적을제거 과학이 왜 를외면하고대신 어떻게 에대해서만집중 따라서물리우주론의관점에서보면우주의목적이나의미와관련된어떠한것도찾을수없는것은당연 모든것에는의미가있다, 우리가찾을수만있다면. Lewis Carroll, Alice s Adventures in Wonderland (1865) 우주에관해가장경악할만한사실은그것이적대적이라는것이아니라무심하다는것이다. 하지만이러한무심함을이해하고죽음이라는한계안에놓인삶의도전들을받아들이면 -- 인간이그것을얼마나바꿀수있든지 -- 우리가하나의종으로존재하는것에진정한의미와충만함을가질수있을것이다. 어두움이아무리광대하더라도우리는우리자신의빛을들어야한다. Stanley Kubrick Interviewed by Eric Nordern, Playboy (September 1968); later published in Stanley Kubrick: Interviews (2001) 드레스덴폭격
그대는한권의거룩한책 우주를창조한힘의거울 무엇을원하든, 그대에게물으라 그대가무엇을찾든그것은 그대안에있다. Mawlana Jalal-al-Din Rumi The Rubais of Rumi: Insane with Love 결론 어찌됐든, 우주론자체는, 다른모든예술이나과학과마찬가지로, 인간의재능이만들어낸것으로, 사회적이거나언어적인제약과애매한의사소통수단에영향을받는다. M. R. Wright Cosmology in Antiquity (1995) 무엇을추구할지는개인에게달려있다 ; 더하여모든사람은, 결과보다는추구자체가더가치가있다는레싱의훌륭한격언에서위안을찾을수있다. Albert Einstein (1940) 근본적인질문들이답변이불가능한우주론에서는특히그러함 그리고, 교훈 : 또다른위안: 천상에대한논의가매혹적이고중요한것은그에대한우리의지식이불완전하다는것으로유지된다. Aristotle (384-322 B.C.) 자신들에게는평범한것들을우리가모르고있었다는사실에에우리의후손들이놀라워할때가올것이다. 많은발견들이우리가기억에서사라진뒤에올후세사람들을위해남겨져있다. 모든세대마다밝혀낼것이없다면우주는단지애석하게도한작은사건에불과할것이다. 자연은모든것을한번에드러내지않는다. Seneca (4BC-AD65), Natural Questions Book 7 http://bh.knu.ac.kr/~jchan/cosmology-20120926.pdf k / h /